(57)【要約】【課題】ガスシール性に優れ、かつ長時間の運転によっても出力の低下が小さな固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の中央部に両面から接合された陰極触媒層および陽極触媒層を陰極触媒層より大きな面積の燃料電極基材および陽極触媒層より大きな面積の酸化剤電極基材でさらに両側から挟持した膜電極接合体と、膜電極接合体を両側から挟持する酸化剤セパレータ板および燃料セパレータ板とを有する燃料電池において、燃料電極基材のうち陰極触媒層を囲繞する燃料封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、酸化剤電極基材のうち陽極触媒層を囲繞する酸化剤封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、燃料封止支持部と燃料セパレータ板との間および酸化剤封止支持部と酸化剤セパレータ板との間に隙間が設けられた。【選択図】図１
2005135703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の中央部に両面から接合された陰極触媒層および陽極触媒層を上記陰極触媒層より大きな面積の燃料電極基材および上記陽極触媒層より大きな面積の酸化剤電極基材でさらに両側から挟持した膜電極接合体と、
上記膜電極接合体を両側から挟持する酸化剤セパレータ板および燃料セパレータ板とを有する燃料電池において、
上記燃料電極基材のうち上記陰極触媒層を囲繞する燃料封止支持部が樹脂により充填され、
上記酸化剤電極基材のうち上記陽極触媒層を囲繞する酸化剤封止支持部が樹脂により充填され、
上記燃料封止支持部と上記燃料セパレータ板との間および上記酸化剤封止支持部と上記酸化剤セパレータ板との間に隙間が設けられたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記隙間に隙間充填部材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記酸化剤セパレータ板は、中央部に酸化剤ガス流路が設けられるとともに同じ面に上記酸化剤ガス流路を囲繞する枠状の凹んだ段部が設けられ、
上記燃料セパレータ板は、中央部に燃料ガス流路が設けられるとともに同じ面に上記燃料ガス流路を囲繞する枠状の凹んだ段部が設けられ、
上記酸化剤ガス流路が上記酸化剤電極基材に面するように上記酸化剤セパレータ板を重ね、さらに上記燃料ガス流路が上記燃料電極基材に面するように上記燃料セパレータ板を重ねてそれぞれの上記段部とそれぞれ上記酸化剤電極基材および上記燃料電極基材との間で上記隙間が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記凹んだ段部の深さが上記隙間充填部材の厚さより大きいことを特徴とする請求項３に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記隙間充填部材または上記酸化剤封止支持部および上記燃料封止支持部に充填された樹脂の少なくともいずれか１つが熱可塑性樹脂であることを特徴する請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記隙間充填部材が弾性体であることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いて電気化学的な反応を利用して発電する固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を介在して１対の電極を対向させ、この一方の電極に燃料を、他方の電極に酸化剤を供給し、燃料と酸化剤とを燃料電池内で電気化学的に反応させることにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池のうち固体高分子型燃料電池は電解質膜としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いているので、高出力の特性が得られる。
この固体高分子電解質型燃料電池は反応ガスを供給し続けることにより電気化学反応が継続する。このときに電気化学反応で重要な役割を果たす固体高分子電解質膜のイオン伝導性は、固体高分子電解質膜の水分含有量にほぼ比例する。さらに、固体高分子電解質膜の水分含有量が反応ガスの湿度に依存しているので、反応ガスを加湿して運転する。また、両極に流れるガスは外部だけではなく、両極間でも漏れないようにシールする必要がある。そして、固体高分子電解質膜が両極間の反応ガスの漏れを防ぐ役割を果たしているので、両極間のガスシールを損なうことがないように固体高分子電解質膜は電極部の外周部まで延ばされている。
【０００３】
しかし、固体高分子電解質膜は乾燥すると縮み吸湿すると膨潤するので、運転と停止の繰り返しにより固体高分子電解質膜にストレスがかかる。さらに、酸化剤供給口に乾燥した空気を供給した場合、空気流路の上流域では固体高分子電解質膜が乾燥し、その下流域では生成水により固体高分子電解質膜が湿潤する。このようにして固体高分子電解質膜にストレスが加わるので、確実に固体高分子電解質膜を支えておかなければ固体高分子電解質膜が破損してしまうおそれがあった。
そこで従来の燃料電池では、固体高分子電解質膜に処理を施して固体高分子電解質膜を確実に支持できるようにしている。例えば、固体高分子電解質膜が１対の電極より面積が大きくかつ１対の電極と接する通電部と１対の電極と接していない非通電部とを有している。その通電部と非通電部との境界部に補強材が含まれている。この補強材の材質としては含フッ素重合体が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、固体高分子電解質膜の通電部と補強材で補強された非通電部との境界部にストレスが集中し、境界部に沿って亀裂が生じる恐れがあった。
そこで、固体高分子電解質膜を支持する電極基材を補強して固体高分子電解質膜を確実に支持できるようにしている。例えば、電極基材が固体高分子電解質膜と同一の面積であり、かつ電極基材の周縁部が接着剤からなる緻密化剤で緻密化されている。この緻密化された周縁部で固体高分子電解質膜を支持し、かつガスシールしている。緻密化剤としてはポリテトラフルオロエチレン系のディスパージョンを使用し、周縁部に含浸後溶媒を取り除いて緻密化を行っている（例えば、特許文献２参照。）。
また、他の電極基材の補強方法としては、電極の発電領域を包囲する封止領域に射出成形可能な熱硬化性液体化合物を含浸し、硬化している（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００―２６０４４３号公報
【特許文献２】特開平８―１４８１７０号公報
【特許文献３】特表２００１―５１０９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、電極基材の緻密化された部分と発電部に位置する電極基材そのままの部分との間で弾性率が異なっている。すなわち、緻密化された部分は電極基材に樹脂が充填されていて弾性率が大きくなっているのに対し、発電部に位置する電極基材そのままの部分は例えば空隙率が８０％の多孔体であるので弾性率が小さいままである。そのため、２枚のセパレータ板で膜電極接合体を両側から圧力を加えて電極基材とセパレータ板間で電気的導通を取った燃料電池が長時間運転されると、接触抵抗が大きくなってしまうという問題があった。この原因は、緻密化された部分と発電部に位置する部分との間で荷重下のクリープ特性が異なっているためである。すなわち、長時間に亘る運転後、発電部に位置する部分の電極基材が大きくクリープしてしまうので、荷重が主に緻密化された電極基材に掛かるようになる。
【０００６】
この発明の目的は、ガスシール性に優れ、かつ長時間の運転によっても出力の低下が小さな固体高分子電解質型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わる固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の中央部に両面から接合された陰極触媒層および陽極触媒層を上記陰極触媒層より大きな面積の燃料電極基材および上記陽極触媒層より大きな面積の酸化剤電極基材でさらに両側から挟持した膜電極接合体と、上記膜電極接合体を両側から挟持する酸化剤セパレータ板および燃料セパレータ板とを有する燃料電池において、上記燃料電極基材のうち上記陰極触媒層を囲繞する燃料封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、上記酸化剤電極基材のうち上記陽極触媒層を囲繞する酸化剤封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、上記燃料封止支持部と上記燃料セパレータ板との間および上記酸化剤封止支持部と上記酸化剤セパレータ板との間に隙間が設けられた。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の燃料電池に係わる効果は、セパレータ板と発電部に位置する電極基材との間の接触抵抗が低く、セパレータ板と電極基材との間の高い気密性を有した燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係わる固体高分子電解質型燃料電池の断面図である。
この固体高分子電解質型燃料電池（以下、燃料電池と称す。）の単電池は、膜電極接合体１とその膜電極接合体１を両側から挟持する導電性酸化剤セパレータ板２および導電性燃料セパレータ板３とを有する。膜電極接合体１には燃料としての水素がプロトンにイオン化され、プロトンがイオン伝導し、酸化剤としての酸素によりプロトンが酸化されることにより発電する発電部４と、その発電部４の周囲を囲むようにして燃料と酸化剤とを封止する封止部５とを有している。
この膜電極接合体１は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜（以下、電解質膜と称す。）６、電解質膜６の片面の中央部に接する陽極触媒層７、電解質膜６の他の片面の中央部に接する陰極触媒層８、陽極触媒層７を覆う酸化剤電極基材９、陰極触媒層８を覆う燃料電極基材１０を有する。酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０のうち陽極触媒層７および陰極触媒層８を囲繞する酸化剤封止支持部１１および燃料封止支持部１２には熱可塑性樹脂が充填されている。
【００１０】
また、導電性酸化剤セパレータ板２は、酸化剤電極基材９に面する面のうち発電部４に位置する矩形の領域に酸化剤を流す酸化剤ガス流路１５が設けられている。さらに、導電性燃料セパレータ板３は、燃料電極基材１０に面する面のうち発電部４に位置する矩形の領域に燃料を流す燃料ガス流路１６が設けられている。この酸化剤ガス流路１５は、図示していないが導電性酸化剤セパレータ板２の外縁部１７に延在し、さらにその導電性酸化剤セパレータ板２の外縁部１７に厚み方向に穿設された穴に連なっている。単電池を複数個積層するときこの穴は上下に積層されている単電池の導電性燃料セパレータ板３に設けられた穴と連なり、さらにその上の導電性酸化剤セパレータ板２に設けられた穴と連なっていく。一番上に積層された単電池の導電性酸化剤セパレータ板２に設けられた穴を酸化剤供給口としてそこに酸化剤が供給される。一方、一番下に積層された単電池の導電性燃料セパレータ板３に設けられた穴を酸化剤排出口としてそこから余った酸化剤が排出される。燃料に関しても導電性燃料セパレータ板３の外縁部１８に穿設された穴で同様にして供給・排出される。
【００１１】
また、導電性酸化剤セパレータ板２の酸化剤ガス流路１５が設けられた面に、酸化剤ガス流路１５を囲繞するように枠状の凹んだ段部１９が設けられている。これにより、酸化剤ガス流路１５が酸化剤電極基材９に接したとき段部１９と酸化剤封止支持部１１との間に隙間が形成される。同様に、導電性燃料セパレータ板３の燃料ガス流路１６が設けられた面に、燃料ガス流路１６を囲繞するように枠状の凹んだ段部２０が設けられている。これにより、燃料ガス流路１６が燃料電極基材１０に接したとき段部２０と燃料封止支持部１２との間に隙間が形成される。この段部１９、２０は、内寸７．１ｃｍ×１４．１ｃｍ、外寸９．５ｃｍ×１９．５ｃｍ、深さ５０μｍ〜１００μｍである。
なお、段部１９、２０はセパレータ板２、３の外縁部１７、１８の１周に亘り枠状に設けられているので、隙間も一様な厚みの枠状に形成される。しかし、１周に亘って連続した隙間でなくてもよく、隙間が封止支持部１１、１２の半分以上を覆っていれば同様な効果が得られる。
さらに、導電性酸化剤セパレータ板２と酸化剤電極基材９の酸化剤封止支持部１１との隙間に隙間充填部材１３が介在している。また、導電性燃料セパレータ板３と燃料電極基材１０の燃料封止支持部１２との隙間に隙間充填部材１４が介在している。
【００１２】
電解質膜６は、外形が１０ｃｍ×２０ｃｍで膜厚が５０μｍのパーフルオロカーボンスルフォン酸膜であるナフィオン（登録商標）膜である。
陽極触媒層７は、５０重量％白金が担持されたカーボンブラック粒子とパーフルオロ系高分子電解質との混合物が電解質膜６の中央部の片面に外形が７ｃｍ×１４ｃｍで膜厚が１４μｍで積層されている。陽極触媒層７は、酸化剤電極基材９に７μｍ厚み分埋め込まれていて、酸化剤電極基材９の表面と陽極触媒層７の電解質膜６に面する面との段差は７μｍになっている。
陰極触媒層８は、５０重量％白金―ルテニウム系合金が担持されたカーボンブラック粒子とパーフルオロ系高分子電解質との混合物が電解質膜６の中央部の陽極触媒層７が形成された面の反対面に外形が７ｃｍ×１４ｃｍで膜厚が１４μｍで積層されている。陰極触媒層８は、燃料電極基材１０に７μｍ厚み分埋め込まれていて、燃料電極基材１０の表面と陰極触媒層８の電解質膜６に面する面との段差は７μｍになっている。
【００１３】
酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０は、空隙率８０％のカーボンペーパーで形成されていて、外形が９．５ｃｍ×１９．５ｃｍで膜厚が３００μｍである。また、酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０のそれぞれの酸化剤封止支持部１１と燃料封止支持部１２の空孔には熱可塑性樹脂が充填されている。
隙間充填部材１３、１４は、接着性樹脂からなり、膜厚は約１０〜５０μｍである。この隙間充填部材１３、１４には接着性樹脂を使用するが、凹凸を吸収する材料であれば接着性を有していなくてもよい。
導電性酸化剤セパレータ板２と導電性燃料セパレータ板３は、黒鉛を樹脂によって結合した黒鉛板であり、それらの片面の中央部の７ｃｍ×１４ｃｍの領域にそれぞれ酸化剤ガス流路１５と燃料ガス流路１６が設けられている。黒鉛だけではなく、貴金属メッキを表面に施した金属板などの電気伝導度が高く、ガス透過性の無い材料が用いられる。
【００１４】
熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン系樹脂が用いられている。なお、熱可塑性樹脂として、燃料電池が稼働しているときの最大温度以上にガラス転移温度があり、かつ電解質膜６の耐熱温度以下に軟化点温度を有する樹脂であればこの発明に適用することができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンに代表されるポリオレフィン系樹脂およびポリオレフィンとポリ酢酸ビニルなどの共重合樹脂がある。また、ナイロン１１、ナイロン１２などに代表される共重合ナイロン系樹脂、ポリエチレンテレフタレートやその共重合体に代表されるポリエステル系樹脂が挙げられる。さらに、ポリブチレン樹脂、ポリメタクリル酸メチル系樹脂、無定型ポリアミド樹脂などを使用することができる。例えば、燃料電池の運転時の最大温度を７０℃と想定する場合には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂が好ましい。ポリエチレンを充填する場合には、シート状に切断したポリエチレンをガス拡散電極のシール部に設置し、１６０℃で圧入する。ポリプロピレンでは１８０℃から２００℃で圧入するのが好ましい。融点より高い温度で充填するほうが、生産性の面で好ましい。
なお、熱可塑性樹脂、熱可塑性樹脂が充填された電極基材およびセパレータ板はともに弾性体であるが、その弾性率は黒鉛をフェノール樹脂など固めたセパレータ板が一番大きく、次に熱可塑性樹脂が充填された電極基材が大きい。一方、熱可塑性樹脂単体は他のように粒子またはファイバーで強化されていないので弾性率が小さい。その熱可塑性樹脂に荷重が掛かっても変形が大きいので、セパレータ板と電極基材との隙間に充填された樹脂で荷重が分担されずに、セパレータ板と電極基材とが直接接している部分で荷重を分担している。
【００１５】
次に、この燃料電池の膜電極接合体１の製造方法を図２を参照して説明する。
まず、酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０とを、厚み３００μｍ、空隙率８０％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−９０）から９．５ｃｍ×１９．５ｃｍに切り出す。また、膜厚３００μｍのポリオレフィン系の熱可塑性樹脂膜から外寸９．５ｃｍ×１９．５ｃｍ、内寸７．０ｃｍ×１４．０ｃｍのロの字型に樹脂フィルム２３を切り出す。この樹脂フィルム２３の熱可塑性樹脂の流動開始温度は１３０℃である。流動開始温度は、高化式フローテスター（０．５ｍｍφ×１ｍｍ×１０６Ｐａ（約１０ｋｇｆ／ｃｍ２））を用いて、昇温速度３℃／ｍｉｎで測定された。また、厚さ５０μｍのデュポン製ナフィオン膜から外形１０ｃｍ×２０ｃｍに電解質膜６を切り出す。また、膜厚２０μｍのポリオレフィン系の熱可塑性樹脂膜から外寸９．５ｃｍ×１９．５ｃｍ、内寸７．１ｃｍ×１４．１ｃｍのロの字型に樹脂フィルム２６を切り出す。
【００１６】
次に、陽極触媒層７と陰極触媒層８の形成について説明する。陽極触媒としては白金をカーボンブラック上に５０重量％担持したものを用いている。この陽極触媒１重量部に水１重量部とパーフルオロ系高分子電解質溶液（旭硝子（株）製フレミオン（登録商標）９％溶液）３重量部を添加し、攪拌混合して均一な陽極触媒ペーストを作製する。また、陰極触媒としては白金―ルテニウム系合金をカーボンブラック上に５０重量％担持したものを用いている。この陰極触媒１重量部に水１重量部とパーフルオロ系高分子電解質溶液（旭硝子（株）製フレミオン（登録商標）９％溶液）６重量部を添加し、攪拌混合して均一な陰極触媒ペーストを作製する。次に、この陽極触媒ペーストを酸化剤電極基材９の中央部に外形７ｃｍ×１４ｃｍになるようにスクリーン印刷し、減圧乾燥して、乾燥後膜厚１４μｍになるように陽極触媒層７を形成した。さらに、陰極触媒ペーストを燃料電極基材１０の中央部に外形７ｃｍ×１４ｃｍになるようにスクリーン印刷し、減圧乾燥して、乾燥後膜厚１４μｍになるように陰極触媒層８を形成した。
【００１７】
次に、ホットプレス機２４の平板２５上に図２のように膜電極接合体１の部材をセットする。つまり、樹脂フィルム２３を平板２５上にセットし、その上に陰極触媒層８が上方に向くようにして燃料電極基材１０、電解質膜６、陽極触媒層７が下向きになるように酸化剤電極基材９、樹脂フィルム２３の順に積み重ねる。
次に、平板２５でこれらを圧力１０５Ｐａ（約１ｋｇｆ／ｃｍ２）程度、温度１５０℃で挟み込み、その後真空状態にして締付け圧を５×１０５Ｐａ（約５ｋｇｆ／ｃｍ２）に上げて３分間保持する。このとき樹脂フィルム２３が流動して酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０との空孔にその樹脂が含浸していく。次に、締付け圧を１０６Ｐａ（約１０ｋｇｆ／ｃｍ２）に上げて２分間保持した。このとき、１４μｍあった陽極触媒層７と陰極触媒層８とがそれぞれ酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０とに部分的に埋め込まれ７μｍの厚みになるので、温度を室温まで降下させた。熱可塑性樹脂によって酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０の酸化剤封止支持部１１と燃料封止支持部１２の空孔が満たされる。陽極触媒層７および陰極触媒層８の接した酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０の部分に０．５ｍｍ程度の幅で樹脂が流れ込んでいたが、電極の有効面積の損失は約２％と無視できる程度であった。余分な樹脂は酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０の外端部からはみだしていた。このようにして膜電極接合体１を作製することが出来た。
【００１８】
なお、この実施の形態１において樹脂フィルム２３の中央の穴の内寸を陽極触媒層７および陰極触媒層８の外形と同一の形状としたが、中央の穴の内寸を１ｍｍ大きくすることにより電極有効面積の損失をほとんど無くすことができた。
【００１９】
次に、この燃料電池の単電池の製造方法を図３を参照して説明する。図３に示すように燃料ガス流路１６が上方に向くように導電性燃料セパレータ板３を載せ、次に、樹脂フィルム２６を段部２０に納まるように載せる。その上に膜電極接合体１を載せ、その上に樹脂フィルム２６を載せる。最後に酸化剤ガス流路１５が下方に向くように導電性酸化剤セパレータ板２を載せる。
次に、平板２５でこれらを圧力１０５Ｐａ（約１ｋｇｆ／ｃｍ２）程度、温度１５０℃で挟み込み、その後真空状態にして締付け圧を５×１０５Ｐａ（約５ｋｇｆ／ｃｍ２）に上げて３分間保持する。樹脂フィルム２６が溶融して段部１９、２０の壁と電極基材９、１０との隙間にその溶融した樹脂がまわり込み、電極基材９、１０と導電性セパレータ板２、３との間を封止する。このようにして燃料電池の単電池を作製する。
【００２０】
次に、燃料電池の動作について説明する。導電性酸化剤セパレータ板２の図示しない酸化剤供給口より供給された酸化剤としての酸素は、酸化剤ガス流路１５を通り、酸化剤電極基材９内を拡散して陽極触媒層７に供給される。一方、燃料としての水素は空気と同様に、燃料ガス流路１６を通り、燃料電極基材１０内を拡散して陰極触媒層８に供給される。このとき、陽極触媒層７と陰極触媒層８とは電気的に外部で接続されているので、陽極触媒層７では式（１）の反応が生じ、酸化剤ガス流路１５を通って未反応酸素と水とが図示しない酸化剤排出口から排出される。また、このとき陰極触媒層８では式（２）の反応が生じ未反応水素は同様に燃料ガス流路１６を通じて図示しない燃料排出口より排出される。
陽極反応：２Ｈ＋+２ｅ−+１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ                （１）
陰極反応：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ−                            （２）
このとき陰極触媒層８上で水素はイオン化されてプロトンとなり、水を伴って電解質膜６中を陽極触媒層７上まで移動し、酸素と反応して水を生ずる。
【００２１】
なお、この実施の形態１の燃料電池と比較するために図４に示す比較例の燃料電池を作製した。この比較例は実施の形態１と導電性酸化剤セパレータ板２と導電性燃料セパレータ板３に共に段部が設けられていないことと隙間充填部材が設けられていない点が異なり、その他は同様であるので同様な部分の説明は省略する。
この比較例においては、導電性酸化剤セパレータ板２と導電性燃料セパレータ板３とがそれぞれ酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０とに全面に亘って接している。
【００２２】
これら実施の形態１と比較例の単電池の温度を８０℃に保った状態で、露点６５℃の空気を利用率４０％相当流量流し、電流密度２５０ｍＡ/ｃｍ２の電流で発電運転を実施した。このとき燃料として一酸化炭素を２０ｐｐｍ含有する改質模擬ガス（水素７５％、残り二酸化炭素）を燃料利用率８０％で供給した。この時酸化剤供給口の相対湿度は５３％となる。一方酸化剤排出口では燃料電池反応により水が生成するため、空気中の水分量が増大し、相対湿度が８０％に達した。従って、空気の上流に相当する領域では、電解質膜４が乾燥してイオン抵抗が増大する。一方下流域では、生成水により電解質膜４の水分含有量が増加してイオン抵抗が減少する。この時、初期の燃料電池の単電池の電圧が７５０ｍＶとなり、開回路電圧も９６０ｍＶとなっていた。そして８時間運転し、８時間停止（負荷・ガス停止、温度室温）するというサイクルを繰り返した。
【００２３】
まず、これらの単電池のセル抵抗、燃料ガス混入窒素濃度、単セル電圧を図５に示す。セル抵抗は４端子法により周波数１ｋＨｚの交流を印加して測定した測定値である。また、燃料ガス混入窒素濃度はガスクロトグラフ分析で評価した値である。単セル電圧は、上述の運転条件のもと電流密度２５０ｍＡ/ｃｍ２の負荷での端子間電圧である。
実施の形態１のセル抵抗は小さく、各部材が良好な接触状態に保持されていることを示している。一方、比較例のセル抵抗は大きく、面圧をかけたときに樹脂の充填された電極基材の方が圧縮量が小さく、面圧がこの樹脂が充填された電極基材の部分に集中していることを示している。
また、実施の形態１の燃料ガス混入窒素濃度が小さく、大気または酸化剤ガスから流入する空気の量が減少していることがわかる。比較例の燃料ガス混入窒素濃度は実施の形態１よりは大きいので、少しはセパレータ板と電極基材との隙間でのリークが大きいことを示している。
また、実施の形態１の単セル電圧は、７５２ｍＶと高出力特性を実現できた。
【００２４】
このような燃料電池は、セパレータ板の電極基材に接する面のうち外縁部に電極基材との間に隙間を形成する段部が設けられているので、セパレータ板と電極基材との接触抵抗が小さくなり高出力な特性を得ることができる。
また、セパレータ板は電極基材の樹脂の充填されていない部分だけで接しているので、荷重が掛かり続けても電極基材のクリープは一様に進行する。
【００２５】
また、隙間を隙間充填部材により充填されているので、その隙間の周囲においてセパレータ板と電極基材との接触面が隙間充填部材で封止され、ガスのリークが少なくなる。
【００２６】
また、セパレータ板にあらかじめ凹んだ段部を設けることができるので、精度良い隙間を形成することができる。
なお、面圧をかけるために電極基材の樹脂充填部の厚みを発電部に位置する電極基材より薄くしても同様の効果が得られるので、樹脂充填部を塑性変形させたものを用いてもよい。
【００２７】
また、樹脂が段部の中だけに充填されているので、セパレータ板が電極基材から浮き上がることがない。
【００２８】
また、熱可塑性樹脂を溶融することにより、電極基材の空孔内およびセパレータ板と電極基材との狭い隙間に入り込むので、充填した部分および浸透した部分のガスシール性が向上する。
【００２９】
また、隙間充填部材が弾性体から構成されているので、燃料電池にかかる圧力の大部分が発電部にかかる。
【００３０】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係わる燃料電池の断面図である。この実施の形態２の燃料電池は導電性酸化剤セパレータ板２と導電性燃料セパレータ板３に共に段部が設けられていないことが実施の形態１と異なり、その他は同様であるので同様な部分の説明は省略する。
この実施の形態２の単電池の特性を図５に示す。実施の形態２のセル抵抗は比較例と同様に大きく、面圧をかけたときに緻密化された電極基材の方が厚く、面圧がこの緻密化された電極基材に集中していることを示している。
また、実施の形態２の燃料ガス混入窒素濃度が実施の形態１と同様に小さく、大気または酸化剤ガスから流入する空気の量が減少していることがわかる。
また、実施の形態２の単セル電圧は、７２２ｍＶと比較例と同様であった。
【００３１】
このような燃料電池は、セパレータ板の外縁部と電極基材の緻密化された部分との間に樹脂層が介在しているので、この界面を伝わってリークするガスを減少することができる。
【００３２】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係わる燃料電池の断面図である。この実施の形態３の燃料電池は導電性酸化剤セパレータ板２と導電性燃料セパレータ板３にそれぞれ設けられた段部に隙間充填樹脂が充填されていないことが実施の形態１と異なり、その他は同様であるので同様な部分の説明は省略する。
この場合、セパレータ板２、３の段部１９、２０と電極基材９、１０の酸化剤封止支持部１１および燃料封止支持部１２との界面に空隙が生じ、ガスのリークが懸念される。そのガスのリークをなくすために、発電部に位置する電極基材の圧縮弾性変形量と段部１９、２０と電極基材と接するセパレータ板の面との段差を一致させている。例えば、樹脂が充填されていない電極基材の圧縮弾性変形量が１５μｍと見積もったとき、段部１９、２０と電極基材と接するセパレータ板の面との段差を１５μｍに加工してある。
【００３３】
この燃料電池を実施の形態１と同様な評価を行った。その結果を図５に示す。実施の形態３のセル抵抗は小さく、各部材が良好な接触状態に保持されていることを示している。また、実施の形態３の燃料ガス混入窒素濃度が実施の形態１よりは大きく、少しはセパレータ板と電極基材との隙間でのリークが大きいことを示しているが、電極基材の樹脂が充填されている樹脂の一部が電極基材の表面に現れており、これが、相対するセパレータ板との密着性、接着性を確保していることが原因である。
また、実施の形態３の単セル電圧は、ガスのリークなどの影響を受けて７２１ｍＶとあまり高くはない。
【００３４】
このような燃料電池は、段部をセパレータ板に設けたのでセル抵抗が小さくなるとともに、電極基材に充填された樹脂が電極基材とセパレータ板との界面を封止するのでガスリークも極端には大きくならない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる燃料電池の断面図である。
【図２】膜電極接合体をホットプレス機で作製する様子を示す図である。
【図３】単電池をホットプレス機で作製する様子を示す図である。
【図４】比較例の燃料電池の断面図である。
【図５】評価結果を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係わる燃料電池の断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係わる燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  膜電極接合体、２  導電性酸化剤セパレータ板、３  導電性燃料セパレータ板、４  発電部、５  封止部、６  電解質膜、７  陽極触媒層、８  陰極触媒層、９  酸化剤電極基材、１０  燃料電極基材、１１  酸化剤封止支持部、１２  燃料封止支持部、１３、１４  隙間充填部材、１５  酸化剤ガス流路、１６  燃料ガス流路、１７、１８  外縁部、１９、２０  段部、２３、２６  樹脂フィルム、２４  ホットプレス機、２５  平板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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